[发明专利]基于量子增强的空芯光子晶体光纤气体传感器

说明书

本发明公开了基于量子增强的空芯光子晶体光纤气体传感器，其特征包括激光器、粗波分复用器、掺铒光纤放大器、滤波器、偏振控制器、偏振分束器、耦合器、色散位移光纤、光纤延时线、光纤隔离器、单模光纤、空芯光子晶体光纤、平衡探测器、频谱分析仪；本发明使用经四波混频后产生的量子纠缠双光束，其具有高度量子相关性，每个模式的强度差量子噪声都降低，探测光与参考光量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，使被湮没在量子噪声下的信号可以被探测到，由此实现突破量子噪声极限的超高灵敏度测量。本发明基于量子增强的空芯光子晶体光纤气体传感器具有极高灵敏度，稳定性好，实用性高等优点。

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，特别涉及基于量子增强的空芯光子晶体光纤气体传感器。

背景技术

浓度的检测在科学研究和人们日常生活中有十分重要的作用。众所周知，在煤炭开发过程中，会产生大量一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、烟尘等污染物，这些是造成大气污染和酸雨的主要原因，对这些有害气体进行浓度的监控是十分必要的。同样，测量场景也往往会涉及高温高压、组分多样化等复杂环境，待测气体的组分含量可能在百万分子一量级或者以下。例如，我国正在建设的“天宫”空间站、“北斗”导航系统、“嫦娥”系列卫星为代表的航天、探月工程和国产航母、“蛟龙号”载人潜水器为代表的海洋、深海运载技术，飞行器和运载舱内外都需要对痕量气体进行严格监测，以保障人员的生命安全和设备的正常运行。所以要求气体传感系统具有高的测量灵敏度和响应速度以保证生产效率。

光子晶体光纤近年来引起了人们的广泛关注。微孔包层为光纤的波导特性裁剪提供了额外的自由度，并制备了一些具有无休止的单模、高双折射和高非线性等独特光学特性的光子晶体光纤。除了光纤制造的灵活性外，光子晶体光纤的光学特性也可以通过后处理商用光子晶体光纤进行改进，例如，通过选择性地向空气孔填充液体或气体，用CO2激光器或光纤拉锥修改光纤几何结构，并将量子点填充至光纤。特别是，选择性填充被认为是一种重要的方式来修饰光子晶体光纤，以获得独特的光学性能。一些功能光子晶体光纤，如双折射可调谐光子晶体光纤和弯曲敏感光子晶体光纤，是通过选择填充空气孔来实现的。本发明采用空芯光子晶体光纤使光与所测气体充分接触。

光纤气体传感器的基本原理是检测气体对特定波长处的光功率吸收,气体分子会吸收与之吸收谱相对应波长处的光,从而使出射光强发生改变，进而实现对浓度的测量。它具有以下优点：1)本征安全；2)耐高温高压，不易受到影响；3)易于远程传输和复用；4)抗电磁波的干扰，比较稳定。基于以上优点光纤气体传感器越来越受到科研工作人员的青睐，并且广泛应用于人们生活的方方面面。例如，对火力发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中燃烧排放的残留物进行严格监控。

普通光纤气体浓度传感器通常容易受到噪声的干扰，很微小的光强度可能会被湮没在噪声里，因此微小的气体浓度可能无法检测。本发明利用量子纠缠源产生的共轭光束对气体浓度进行探测，因为量子共轭光束具有高度量子相关性，对双光束做平衡探测可以使灵敏度突破量子噪声极限。因此本发明提出的基于量子增强的空芯光子晶体光纤气体传感器有极高灵敏度，结构简单，具有很高的实用价值。

发明内容

为了克服普通光纤气体传感器受到噪声干扰，使得测量精度不能进一步提高的问题，本发明提出了一种基于量子增强的空芯光子晶体光纤气体传感器，可以突破量子噪声极限，具有极高灵敏度，结构简单，有很高的实用价值。

本发明为解决技术问题所采取的传感方法：

步骤(1)光纤量子纠缠源的产生：由光纤飞秒激光器所发出激光经粗波分复用器分成泵浦光和信号光，两光束通过耦合器耦合到色散位移光纤中经四波混频效应，产生信号光和闲频光，两个频率为ω_p的光子湮灭，同时产生两个频率为ω₁和ω₂的新光子，满足以下方程式：

2ω_p＝ω₁+ω₂ (1)